Détection de traces, mesure de la position

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1 Détection de traces, mesure de la position
Toutes les chambres Jeudi 19 Nov 98

2 Rappel Compteur proportionnel
C : Capacité par unité de longueur e0 : permittivité du vide = 8.85 pF/m Compteur proportionnel : Multiplication de la charge près de l’anode, proportionnel à U0 Avalanche après E critique Gain = K= cm2 V-1 pour l’He L’avalanche commence à une distance l de l’anode, l = nb de longueurs moyens nécessaires pour former l’avalanche Le signal est dû aux ions qui dérivent !!! Ex ri=10mm, l=1mm,ra=10mm, seulement 1% du signal dû aux électrons !! Y.Karyotakis

3 Multiplication et signal
Effets secondaires Retour à l’état initial des atomes excités par émission de photons Émission de photoélectrons par effet photoélectrique sur les métaux de la cathode et l’anode: g probabilité de processus secondaire Avalanches secondaires Si g < A Décharge fatale g 2ème coefficient de Townsend. Il vaut mieux qu’il soit faible Y.Karyotakis

4 Temps de formation du signal
Temps des ions entre le point de formation de l’avalanche et la cathode. Temps total T de dérive pour r(t)=ra. Compteur à Argon avec ri=10mm ra=8mm C=8 pF/m m = 1.7 cm2sec-1 V-1 atm-1 U0=3000V T = 436 ms !!!! et t0 = 0.68 ns Il faut différencier le signal avec RC, pour limiter le temps mort. La charge mesurée est < charge des ions Y.Karyotakis

5 Multiplication et signal
1ns t 1. L ’électron dérive vers l ’anode 2. Formation de l ’avalanche 3. Électrons et ions crées à la même place ( L ’avalanche s’arrête quand la charge d’ espace des ions réduit le champ) 4. Le nuage des électrons dérive vers l’anode d ’un coté 5. Les ions partent à la cathode lentement Les électrons sont collectés rapidement par l’anode Le nuage d’ions va dériver lentement vers la cathode : Y.Karyotakis

6 Multiplication et signal
Proportionnel A~ ns Quencher Semi proport. A~ ~ms Plus de quencher Saturé Q~107 e qqs ms Gaz quenché Streamer limité Q~108 e ms Gaz très quenché gros fil Geiger limité Q~109 e qqs 100 ms Geiger Q~1010 e qqs 10 ms Etincelles N’importe quel gaz Y.Karyotakis

7 A priori n’importe quel gaz peut être utilisé
Choix du gaz A priori n’importe quel gaz peut être utilisé Le choix est contraint par la situation expérimentale Taux de comptage élevé, temps de vie, haut gain, longueur d'interaction etc..... Recette : prendre un gaz noble et le mélanger avec une molécule polyatomique Formation d’atomes excités et émission de photons d’énergie (ex 11.6 keV pour l’Ar) > que le potentiel d’ionisation de métaux (7.7keV pour le Cu) Avalanche secondaire Il faut arrêter les photons Gaz polyatomiques (n>4) ont de nombreux états de rotation, et vibration. Désexcitation sans rayonnement Absorbeurs de photons ! ex : CH4 absorbe 7.9 keV < Eg < 14.5 keV Y.Karyotakis

8 Choix du gaz et vieillissement
L’excès d’énergie est dissipé par collisions successives ou dissociation en radicaux plus simples Neutralisation à la cathode : polymérisation et la cathode est enveloppé par un isolant mince. Si le flux de particules à travers le détecteur est grand, un nuage d’ions est formé à la cathode, et des électrons sont arrachés à la cathode !!! Avalanches !!! Destruction du détecteur !!! D’autres contaminants : ex silicium dans les bulleurs, les vannes ou les tuyaux. Se fixe sur l’anode ou la cathode Le système de gaz doit être construit avec grand soin Tuyaux en inox, vannes sans graisse ..... Y.Karyotakis

9 Fonctionnement à gaz perdu
Le système de gaz Craintes et tabous Fonctionnement à gaz perdu Tout le gaz à l'entrée est évacué ! coût parfois très élevé Pression stabilisée par un bulleur à la sortie Recyclage. Le gaz est recirculé avec l’aide de compresseurs peu ou pas de gaz perdu. Renouvellement du gaz rapide, 1 volume / shift Purification Elimination des contaminants Pression régulée Y.Karyotakis

10 Chambres proportionnelles
Cathode l Ensemble de compteurs proportionnels sans murs Fils de tungstène doré entre 10 et 30m tous les 2mm. Distance anode cathode 10mm. La cathode peut être une feuille métallique ou une série de fils. Gain ~ 105 avec Ar-CO2 ou Ar-isobutane etc… Généralement mesure de la position seulement et à une dimension Résolution Les fils se repoussent par la force électrostatique et il faut une tension suffisante pour éviter les oscillations ~ 50 gr. T tension (N) Il faut aussi tenir compte parfois de la flèche due à la gravité Mesure de 2 coordonnées par plusieurs plans ou lecture de la cathode s Fils d ’Anode Y.Karyotakis

11 Limitations de chambres à fils
La résolution est dominée par l’espacement entre fils. Difficile de faire s < 2mm Il faut tenir la charge par unité de longueur CU0 constante pour obtenir le même gain Si s décroît, et par conséquent C, il faut augmenter U0. Le champ E est aussi augmenté, et risque de décharges. Il faut aussi une tension sur les fils plus grande, et diminution du diamètre du fil ! Segmentation et lecture de 2 cathodes Le champ électrique dépend de la capacité par unité de longueur. Pour l=8mm, diamètre du fil=30mm, et espacement entre fils de 2mm (1mm) C = 3.56pF (2.02pF) Y.Karyotakis

12 Chambres à dérive Mesurer le temps entre le passage d’une particule et l’arrivée des électrons sur l’anode La résolution est nettement améliorée, moins de fils à tisser ex : w-=5cm/ms et st=1ns sx=50m Ambiguïtés gauche droite ! Y.Karyotakis

13 Chambres à dérive Chambres planes Chambres cylindriques
Relation linéaire entre le temps et la distance. Introduction d ’un fil au potentiel -HV1 entre anodes. Champ électrique constant dans tout l ’espace de dérive. Chambres cylindriques Détecteurs centrales pour les expériences sur colisioneurs, avec un solénoïde. Juxtaposition de cellules cylindriques, fils parallèles au champ magnétique. Organisation en couches et super couches à symétrie circulaire. Mesure de la coordonnée sur r-f Mesure de z par de fils à angle g ( fils stéréo) par rapport à z ou par division de charge, z=(I1-I2)/(I1+I2) Cellules ouvertes et fermées pour un meilleur champ E. Cellules hexagonales Y.Karyotakis

14 La chambre de BaBar Rayon externe de 809mm, interne 236mm
End plates en aluminium de 24mm et (24+12)mm Cylindre interne en Be 1mm, cylindre externe fibre de carbone 2x1.5mm sur du nomex 40 couches de fils, formant de cellules, 7104 cellules hexagonales de dérive. Fils de cathode de 80 et 120 mm, en aluminium dore. Cathode tungstène de 20 mm. ~28000 fils au total. Gaz 80%He et 20 Isobutane. Minimiser la diffusion multiple. Angle de Lorentz petit Résolution en masse pour B0 ® p+p- ~22 MeV/c2 Résolution dE/dx = 6.8% Une cellule de dérive de BaBar Les 10 super layers de BaBar Y.Karyotakis

15 La chambre de BaBar Y.Karyotakis

16 Time projection chamber
C’est l’optimum pour détecter les traces dans un volume cylindrique. Les particules ne voient que du gaz Diffusion multiple réduite Peu de conversions de photons dE/dx Électrode centrale à ~-qqkV, end plates à la masse, champ électrique // au champ magnétique. Diffusion transverse réduite. Le électrons dérivent sur des longues distances. ALEPH 45ms de temps de drift Gaz ultra pur, pas d'oxygène !. Coordonnées x,y mesurées par plans de fils et cathodes segmentés z : mesure du temps de dérive Fils et damiers mesurent x,y Pb : Grand nombre d’ions positifs produits sur les end plates doivent revenir au centre ! Collectés par une grille devant le plan de fils qui ne s’ouvre que pour un bon trigger Y.Karyotakis

17 Diamètre 3.6m et longueur 4.4m Gaz 91% Ar+ 9%CH4 1 atm
TPC d’ALEPH Diamètre 3.6m et longueur 4.4m Gaz 91% Ar+ 9%CH4 1 atm Électrode centrale à -27kV 41004 damiers et 6336 fils de signaux srf=170mm et sz=740mm spt/pt = 0.1%pt + 0.3% (GeV/c) Y.Karyotakis

18 Pbs : Obtenir des gains élevés et contrôler le fonctionnement
Comment faire une chambre rapide, d’excellente résolution, de gain élevé, stable, résistante au haut flux, qui ne vieillit pas, facile à construire et pas chère ???? Les chambres modernes Miniaturiser les chambres à fils Éliminer les fils qui flottent dans le gaz Réduire l’espace anode cathode et collecter les ions le plus vite Réduire l’espace entre les anodes Nouvelles techniques empreintées à la micro-électronique Introduire deux cathodes : Un espace de dérive pour l’ionisation primaire de qq mm ~3mm Un espace le plus court possible entre anode-cathode Dépôt d’anodes cathodes par des techniques de lithographie Pbs : Obtenir des gains élevés et contrôler le fonctionnement Y.Karyotakis

19 Resistive plate counters
Comment obtenir un signal rapide ?? Trigger Tracking Deux électrodes de 2mm de Bakélite ( résistivité = 1011Ohms) paint avec du graphite, séparés d’un gap de gaz (Ar + C4H10 + Freon) de 2mm. 10kV entre les 2 couches de graphite. Production d’une étincelle, t=~10 ns, au passage d’une particule. Etincelle quenchée par : 1) absorption de gammas 2) Capture des électrons par du Freon, 3) Neutralisation du champ électrique très localement( 0.1cm2) Lecture sur des strips d’aluminium par effet capacitif. Signal de 100pC, pas besoin de pre-ampli, temps de montée 2ns et durée 10ns Résolution en temps de 1ns ! 2500 m2 de chambres Y.Karyotakis

20 Microstrip gas chambers (MSGC)
Flux de particules et taux d’interactions très élevés MWPC ne fonctionnent plus MSGC : Chambre à fils miniature, sans fils à tendre réduction d’échelle de 10 ou 100 fois ! Les fils sont remplacés par des pistes de 10mm, anodes, et 100 mm cathodes sur un substrat isolant. Plan de dérive à quelques millimètres du substrat. Pistes déposées par lithographie sur un substrat de verre de 500mm Distance entre anodes 200mm, 10 fois mieux qu’une MWPC. Y.Karyotakis

21 Microstrip gas chambers (MSGC)
Tension des cathodes ~-500 V Tension plan de dérive ~-3.5kV Gaz Ar-DME (Dimethyléther CH3OCH3) ou Ne-DME. (40% 60%) Évacuation très rapide des ions, ils parcourent une plus petite distance que dans les MWPC. Formation du signal en 100ns Résolution 30 à à 50mm Problèmes Gain faible < 104 Instabilités pour opérer la chambre dues à l’accumulation d’ions sur le substrat Vieillissement ??? Détecteur central de CMS, couches externes 10000 détecteurs de 25 ( 5) cm x 10cm E Substrat Détecteur central de CMS, couches externes 10000 détecteurs de 25 ( 5) cm x 10cm 0.1 à 1 Mrad / an Y.Karyotakis

22 Micro-gap chamber Dépôt d’une cathode d’aluminium de 1mm sur un substrat de quartz Dépôt de strips isolantes de 2mm, sur une largeur 17mm Distance anode cathode de 2mm ! Sur les strips isolantes dépôt de l’anode en aluminium de 9mm 3mm d’espace de dérive Presque tous les ions sont collectés sur la cathode proche en temps record MGC plus rapides que MWPC Après 20ns la charge collectée est de : 25 % pour les MWPC 55% pour les MSGC 95% pour les MGC Y.Karyotakis

23 Microgap wire chamber Alternative pour les MSGS Gain ~105
Des fils de Tungstène doré de 5 à 10 mm tendus tous les 200 mm au dessus d’une cathode. Distance anode - cathode 40 mm, d’isolant déposé par photolithographie. Plan de cathode en or portée à ~-600V. Plan de dérive à qqs mm Gain ~105 Temps de formation du signal < 40 ns Cathode évacue les ions et n’est plus chargée Vraie chambre à fils miniature Y.Karyotakis

24 Micromegas Espace de dérive et espace d’amplification séparés par une grille Grille métallique de 3mm d'épaisseur, trous de 37mm tous les 50mm, à 100 mm au dessus de l’anode à -450 V sur la grille. Stripes d’anodes de cuivre doré 317 mm de large sont déposées sur du kapton tous les 70 mm, et mises à la masse. Les électrons primaires dérivent dans l’espace de conversion et sont multipliés au passage de la grille. Les ions sont collectés sur la grille. Résolution spatiale ~50mm et opération à flux élevé 2 x 109 / mm2 s Y.Karyotakis